(19)国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202210210340.1
(22)申请日 2022.03.03
(71)申请人 哈尔滨理工大学
地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学
府路52号
(72)发明人 谢颖 李道璐 蔡蔚 陈鹏
(74)专利代理机构 哈尔滨市松花江专利商标事
务所 23109
专利代理师 岳泉清
(51)Int.Cl.
G06F 30/23(2020.01)
(54)发明名称
法
(57)摘要
一种计算电机正交各向异性材料参数的方
法，属于电机领域。本发明是为了解决电机模态
分析时，现有方法计算难度大的问题。本发明所
述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方
法，利用以壳体理论为核心的正交各向异性解析
模型，以容易测量的低阶径向固有频率及其对应
阶次作为输入条件，能够简单、快捷的计算出电
机正交各向异性材料参数。同时，本发明考虑到
降低所导致的误差；以低阶径向固有频率及其对
应阶次作为输入条件，简单准确、
容易获得。权利要求书5页 说明书13页 附图3页CN 114547946 A 2022.05.27
C N 114547946
A
1.一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将电机的机壳、定子铁心和绕组等效为一个管状结构，以该管状结构一个端面 的圆心为原点O建立柱坐标系，
该柱坐标系的X轴方向为管状结构轴向、Z轴方向为管状结构径向，Y轴方向为管状结构周向；
步骤二：建立忽略转动惯量时管状结构的运动方程：
其中，N x 和N y 分别为管状结构材料沿轴向和周向的内部单位长度力，N xy 为管状结构材料在XY弧面的内部单位长度力，q x 、q y 和q z 分别为轴向、周向和径向的外部压力，u、v和w分别为管状结构上任一参考点的轴向、周向和径向位移，ρ为管状结构的密度，h为管状结构的管壁厚度，Q x 和Q y 分别为轴向和周向的剪切力，R为管状结构的半径，x为管状结构沿轴向的位移变量，y为管状结构沿周向的位移变量，t为时间；
步骤三：根据壳体振动理论，获得Q x 、Q y 、N x 、N xy 和N y 的表达式：
其中，M x 和M y 分别为轴向和周向的单位长度弯矩，M xy 为管状结构XY弧面内部的单位长度弯矩，E y 为周向的弹性模量，和分别为轴向和周向的应力，为管状结构XY弧面内部的应力，K为电机刚度，νxy 和νyx 分别为XY弧面的主、
次泊松比，G xy 为XY弧面的剪切模量；步骤四：设固有频率f下，管状结构上任一参考点的轴向、周向和径向位移u、v和w的表达式为：
其中，A、B和C均为轴向、周向和径向振幅，m为轴向模态阶次，n为径向模态阶次，l为管状结构的轴向长度；
步骤五：将步骤三获得的Q x 、Q y 、N x 、N xy 和N y 以及步骤四获得的u、v和w均代入步骤二中的运动方程中，获得结果矩阵：
其中，
E
x
为轴向的弹性模量，ω为角频率且ω＝2πf；
步骤六：令m＝0，通过实验获得n和f，将结果矩阵整理为：
其中，
步骤七：使步骤六整理后的结果矩阵中[A B C]T具有非零解，则有：
S′
11(S′
22
S′
33
‑S′
23
S′
23
)＝0；
步骤八：由于管状结构在f/n非恒定情况下存在：
S′
11≠0且S′
22
S′
33
‑S′
23
S′
23
＝0，
能够获得周向和径向的弹性模量E
y 和E
z
的表达式：
步骤九：根据定子铁心材料的不同将管状结构沿轴向划分为结构1和结构2，并分别获
得结构1和结构2的泊松比v 1和v 2；
步骤十：利用步骤九获得的v 1和v 2根据下式获得ZOY平面的泊松比v zy 、XY弧面的主泊松比v xy 和XOZ平面的泊松比v xz ：
v zy ＝v 1α+v 2(1‑α)，
v yx ＝0.03v xy ＝0.03v xz ＝v zy ，
其中，α为结构1体积在管状结构总体积中的占比；
步骤十一：将XY弧面的主、次泊松比νxy 和νyx 代入步骤八获得的E y 和E z 的表达式中，获得周向和径向的弹性模量E y 和E z ，然后将E y 和E z 代入下式获得管状结构轴向的弹性模量E x ：
步骤十二：将E y 和v zy 代入下式，获得ZOY平面的剪切模量G zy ：
步骤十三：在绕组线圈紧密接触的状态下，根据下式获得XY弧面的剪切模量G xy 和XOZ平面的剪切模量G xz ：
其中，E 1和E 2分别为结构1材料和结构2材料的弹性模量。
2.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，步骤三中单位长度弯矩M x 、M xy 和M y 的表达式分别如下：
其中，D为电机弯曲刚度，
3.根据权利要求2所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，电机弯曲刚度D的表达式如下：
4.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，步骤三中应力和的表达式分别为：
5.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，步骤三中电机刚度K的表达式为：
6.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，步骤四中，在固有频率下管状结构上任一参考点的轴向、周向和径向位移u、v和w存在假设解：
u＝U(x ,y)e j ωt ，v＝V(x ,y)e j ωt ，w＝W(x ,y)e j ωt ，
其中，U(x ,y)、V(x ,y)和W(x ,y)分别为u、v和w的模态振型，
管状结构两端存在支撑，则有：
7.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，步骤八中S ′22S ′33‑S ′23S ′23＝0展开式为：
其中，Z＝1‑νxy νyx ，
8.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，XY弧面的主泊松比νxy 为X轴方向的单位拉或压应变引起的Y方向的压或拉应变，
XY弧面的次泊松比νyx 为Y轴方向的单位拉或压应变引起的X方向的压或拉应变。
9.根据权利要求1所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，定子铁心为硅钢片和环氧树脂片层沿轴向层叠设置的叠片结构，
将管状结构中硅钢片以及其外部的绕组和机壳共同作为结构1，将管状结构中环氧树脂片以及其外部的绕组和机壳共同作为结构2，其中绕组线圈紧密接触，且结构1和结构2中每片结构均各向同性，
结构1的泊松比v 1为硅钢片泊松比以及其外部的绕组泊松比和机壳泊松比的平均值，结构1的泊松比v 2为环氧树脂片泊松比以及其外部的绕组泊松比和机壳泊松比的平均值。
10.根据权利要求9所述的一种计算电机正交各向异性材料参数的方法，其特征在于，结构1和结构2的弹性模量E 1和E 2的表达式分别为：
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